Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 1 RETI DI CALCOLATORI rucchio/Reti_Scano

Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori1

RETI DI CALCOLATORI

http://staff.polito.it/bartolomeo.montr

ucchio/Reti_Scano/


Indice• Canali trasmissivi e topologie di rete• Architettura di rete

– concetto di commutazione• Tipi di trasmissione:

– seriale/parallela– sincrona/asincrona

• LAN– Ethernet– IEEE 802.3

• Ripetitori• Token ring


Punto punto

• Due soli nodi collegati agli estremi del canale lo utilizzano in modo paritetico

A B


Multi punto

Master

Slave

• Più nodi collegati ad un unico canale: un nodo master gli altri slave


Broadcast

• Unico canale di comunicazione, condiviso da tutti i nodi

• Un pacchetto inviato da un nodo è ricevuto da tutti gli altri

• I pacchetti contengono l'indirizzo del nodo destinazione

• Sono tipicamente usati nelle LAN


Topologie: BUS


Topologie: stella

(a) (b)


Topologie: anello


Architettura di rete

End System

Intermediate System


Architettura di rete• ES (End System)

– eseguono le applicazioni– sono detti anche host o end node– realizzano tutti i livelli OSI

• IS (Intermediate System)– instradano i messaggi sulla rete– sono detti anche router– realizzano solo i primi tre livelli OSI

• Nodo o Sistema– termine generico per ES e IS


Nodi intermedi

ReteRete

Data LinkData Link

FisicoFisico

ApplicazioneApplicazione

PresentazionePresentazione

SessioneSessione

TrasportoTrasporto

ReteRete

Data LinkData Link

FisicoFisicoData LinkData Link

FisicoFisico



SessioneSessione

TrasportoTrasporto

ReteRete

Data LinkData Link

FisicoFisico

ROUTER


La commutazione

• Circuito– concepita per la telefonia

• Pacchetto– concepita per i dati


Commutazione di circuito

AA

DDBB

CC

I commutatori creano dei circuiti punto-punto


Commutazione di circuito

• Bassa utilizzazione del canale trasmissivo– il canale è occupato anche quando non si

trasmette

• Canale di trasmissione dati trasparente• La qualità del canale peggiora

all'aumentare della distanza• Fatturazione a tempo


Commutazione di pacchetto

L'informazione è raggruppata in pacchetti.

A

DB

C

N3 N4

N2N1C CD C C

D D DC A

C C

D

B


Commutazione di pacchetto

IndirizzoMittente

IndirizzoDestinatario

Dati FCS

Header

Testa

Info Tail

CodaPacket

Pacchetto

FCS – Frame Check sequence


Commutazione di pacchetto• Solo trasmissione digitale• I pacchetti vengono instradati dagli IS• I circuiti sono condivisi da tutti i nodi.

– Miglior sfruttamento della capacità trasmissiva del canale

• La qualità della trasmissione non dipende dalla distanza

• Gli IS controllano e possono recuperare errori di trasmissione

• Tariffazione a volume


Trasmissioni seriali e parallele

10

00

1

111

0

00

1

10

1

1

1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1

Bit 1

Bit 8

Parallela

Seriale


Trasmissione seriale

• ASINCRONA– Ogni byte di informazione viene trasmesso

separatamente dagli altri. Il clock di ricezione è solo nominalmente uguale a quello di trasmissione.

• SINCRONA– Le informazioni da trasmettere sono

strutturate in trame. Il trasmettitore e il ricevitore sincronizzano i loro clock prima della trasmissione e li mantengono sincronizzati per tutta la durata della trama.


Trasmissione seriale asincrona

LSB PMSB STOPBITS

SLINEIDLE

DA 5 A 8 BIT

1 CARATTERE

• S: Start Bit

• P: Parity Bit

• Stop Bits 1, 1.5, 2


Trasmissione seriale sincrona

LSB MSB

CARATTERE N

MSB LSB

CARATTERE N-1 CARATTERE N+1

• L'overhead di sincronizzazione è ridotto

CLOCK


Clock e data encoding

• Nella trasmissione seriale occorre trasmettere sugli stessi fili dati e clock

• Esistono due tecniche:– Il clock è "miscelato" con i dati in fase di

trasmissione ed estratto in ricezione– L'informazione da trasmettere è codificata

in modo da avere un numero di transizioni sufficienti a mantenere trasmettitore e ricevitore sincronizzati


Bipolar encoding

1 0 0 1 1 1 0 1

• Ad un 1 corrisponde un impulso positivo, ad uno 0 un impulso negativo (RZ: Return to Zero)

1 0 0 1 1 1 0 1

BIT daTrasmettere

BipolarEncoding

Clock estratto

BIT ricevuti


Phase encoding

• Codifiche Manchester:– il tempo di bit è diviso in due ed a

metà vi è sempre una transizione

• Si tramettono clock e dati insieme, ma la banda è doppia


Codifiche Manchester

1 0 0 1 1 1 0 BIT

MANCHESTERENCODING


LAN

• Rete a commutazione di pacchetto• Reti Private• Alte prestazioni• Basso Costo• Definizione IEEE 802:

– È un sistema di comunicazione che permette ad apparecchiature indipendenti di comunicare tra di loro entro un'area delimitata utilizzando un canale fisico a velocità elevata e con basso tasso di errore.


LAN e OSI



SessioneSessione

TrasportoTrasporto

ReteRete

Data Link Data Link

Fisico Fisico

6

54321

7

LAN WAN


Data link e LAN

• Le LAN sono reti di tipo broadcast in cui ogni stazione riceve i frame inviati da tutte le altre stazioni

• Il broadcast può essere realizzato sia con topologie broadcast quali il bus, sia con topologie punto a punto quali l'anello

• I canali trasmissivi sono sufficientemente affidabili e non è necessario in genere correggere gli errori a questo livello


Arbitraggio del canale

• Nelle LAN c’è un unico canale trasmissivo condiviso da tutte le stazioni

• Occorre avere un algoritmo per:– in trasmissione: determinare chi deve/può

utilizzare il canale (MAC: Media Access Control)

– in ricezione: discriminare quali messaggi sono destinati alla stazione tramite l’utilizzo di indirizzi


LAN Ethernet

• È una LAN concepita per topologie a bus• Equidistribuzione della risorsa

trasmissiva• Protocollo non deterministico con tempo

di attesa non limitato superiormente• Velocità Trasmissiva: 10 Mb/s• Throughput massimo: 4 Mb/s• Arbitraggio del canale: tramite contesa


Listening before talking

• Ogni stazione che debba trasmettere ascolta il bus e trasmette solo se questo è libero

• Appena iniziata la trasmissione si può verificare una collisione a causa del tempo di propagazione del segnale non nullo


Listening while talking

• Per evidenziare l'esistenza di una collisione la stazione trasmittente ascolta il bus anche mentre trasmette

• In caso di collisione si sospende la trasmissione


Back-off

• In caso di collisione la stazione ripeterà il tentativo dopo un tempo casuale determinato da un algoritmo di back-off

• La trasmissione può essere ritentata al massimo 16 volte


IEEE 802

FDDI802.3 802.4 802.5

FDDI

802.2 Logical Link ControlISO 8802.2

802.6

LIVELLONETWORK

LIVELLODATA LINK

LIVELLOFISICO

LLC

MAC

CSMA/CD TOKENBUS

TOKENRING

Interfaccia unificata con il livello network

Tecnologie trasmissive differenziate

ISO8802.3

ISO8802.4

ISO8802.5

ISO8802.6

ISO9314

(Local and Metropolitan Area Network)


IEEE 802

• Il progetto IEEE 802 ha suddiviso il livello data link in due sottolivelli:– LLC: Logical Link Control. È

l’interfaccia comune a tutte le LAN verso il livello network.

– MAC: Media Access Control. È specifico per ogni LAN e risolve il problema della condivisione del mezzo trasmissivo


IEEE 802.3

• Topologia: bus• Cablaggio: bus, stella• Arbitraggio del canale trasmissivo: tramite

contesa• Tipologia del protocollo: non deterministico • Velocità Trasmissiva: 10 Mb/s• Throughput massimo: 4 Mb/s• Evoluzione della rete Ethernet proposta da

Digital, Intel, Xerox (DIX).


Sottolivello MAC

• Nelle LAN c’è un unico canale trasmissivo condiviso da tutte le stazioni

• Occorre avere un algoritmo per:– in trasmissione: determinare chi deve/può

utilizzare il canale– in ricezione: discriminare quali messaggi

sono destinati alla stazione tramite l’utilizzo di indirizzi


Pacchetto MAC

LLC-DSAP LLC-SSAP CONTROL NPDU

MAC-DSAP MAC-SSAP LLC PDU FCSMACPDU

LLCPDU

NetworkPDU

LIVELLO FISICO (es, coax + codice di Manchester)

SSAP: Source Service Access PointDSAP: Destination Service Access Point


Indirizzi MAC• Si compongono di due parti di 3 Byte:

– I tre byte più significativi indicano il lotto di indirizzi acquistato dal costruttore della scheda, detto anche vendor code.

– I tre meno significativi sono una numerazione progressiva decisa dal costruttore

– Esempio: MAC address 08-00-2b-3c-07-9a è una scheda prodotta da Digital in quanto il lotto 08-00-2b è stato acquistato da Digital


Ricezione

• Ogni scheda di rete, quando riceve un pacchetto, lo passa ai livelli superiori nei seguenti casi:– Broadcast: sempre– Single: se il DSAP è uguale a quello

hardware della scheda (scritto in una ROM) o a quello caricato da software in un apposito buffer

– Multicast: se è stato abilitato via software


Primitive di servizio

LLC LAYER MACLAYER

CORRESPONDENTLLC LAYER

MA.DATA.requestMA.DATA.confirm

MA.DATA.request

MA.DATA.indication

MA.DATA.indication

TIMEMA.DATA.confirm

(a)

(b)

(a) usato da 802.3

(b) usato da 802.4, 802.5, FDDI


Il sottolivello LLC

• Definisce i protocolli usati per realizzare una o più connessioni logiche su di un singolo mezzo fisico

• LLC deve essere utilizzabile con uno qualunque dei MAC


Il sottolivello LLC

Livello 3OSI

Livello 3TCP/IP

Altrolivello 3

Sottolivello MAC

Sottolivello LLC

Scelta basatasu LLC-DSAP


Servizi LLC

• LLC offre al Livello 3 i seguenti tipi di servizio:– Tipo 1: Unacknowledged

Connectionless Service

– Tipo 2: Connection Oriented Service

– Tipo 3: Semireliable Service


Tipo 1

• Servizio non connesso• Non esiste un acknowledge (ACK) • Se il messaggio è perso o rovinato dai

disturbi non viene fatto nessun tentativo, a questo livello, di recuperare l'errore

• Nessuna procedura di controllo di flusso: le trame non sono numerate

• La trasmissione può essere punto-punto, multipunto o broadcast


Primitive LLC tipo 1

• Questo servizio LLC è molto semplice e richiede solo due primitive:– L.DATA.request

– L.DATA.indication

USER LLC

LAYERCORRESPONDENT

USERL.DATA.request

L.DATA.indication


Tipo 2

• Servizio connesso

• E’ il servizio più sofisticato che il livello data link possa offrire al livello network

• Sorgente e destinazione aprono una connessione prima di trasferire i dati e la chiudono al termine


Tipo 2

• I frame sono numerati e il livello 2 garantisce che:– ogni frame inviato sia ricevuto

correttamente– ogni frame sia ricevuto esattamente solo

una volta– tutti i frame siano ricevuti nell'ordine

corretto

• Esistono meccanismi di controllo di flusso (flow control)



• Instaurazione della Connessione:– L.CONNECT.request

– L.CONNECT.indication

– L.CONNECT.confirm

• Trasferimento dei dati:– L.DATA_CONNECT.request

– L.DATA_CONNECT.indication

– L.DATA_CONNECT.confirm



• Chiusura della Connessione:– L.DISCONNECT.request

– L.DISCONNECT.indication

– L.DISCONNECT.confirm


IEEE 802 vs EthernetLIVELLO NETWORK

LIVELLODATA LINK

LIVELLOFISICO

LLC

MAC

CSMA/CDCSMA/CD

Ethernet V 2.0 di:Digital, Intel, Xerox

Standard ANSI/IEEE ed ISO/IEC

802.3ISO

8802.3

802.2 Logical Link ControlISO 8802.2

Ethernetversione

2.0

802.5ISO

8802.5

FDDIISO9314


Multiprotocollo in Ethernet

LIVELLO 3

LIVELLO 2

LIVELLO 1

EthernetV 2.0

COAX CABLE +

Manchester

DECNET TCP/IP IPX


Multiprotocollo in IEEE 802.3

LIVELLO 3

LIVELLO 2 - LLC

LIVELLO 2 - MAC

LIVELLO 1

LLCIEE 802.2

MACIEEE 802.3

10BASE5 10BASE2 10BASETFOIRL(fibra)

DECNET TCP/IP OSI

10BASEF


CSMA/CD• CSMA/CD: Carrier Sense, Multiple Access

with Collision Detection• Protocollo semplice e totalmente distribuito• Per garantire buone prestazioni (collisioni

ridotte) bisogna non superare un carico:– medio del 30% (3Mb/s)– di picco del 60% (6Mb/s)

• Non avendo un ritardo massimo non è adatto ad applicazioni real-time (anche se è stato comunque usato in reti di fabbrica)

• È lo standard per LAN più diffuso quindi disponibilità di componenti a basso costo


Formato del pacchetto MAC

6 6 27 1

PREAMBLE SFD DSAP SSAP TYPE DATA FCSPAD

da 0 a 1500

da 0 a 46

4

La lunghezza del PAD è scelta in modo chela lunghezza della trama MAC sia almeno 64 ottetti.

OTTETTI

PDU LLCSFD: Start Frame Delimiter


Round trip collision delay

• È il tempo massimo che può intercorrere tra quando una stazione trasmette il primo bit e quando percepisce una collisione

A B

Trasmissione da A a B

Collisione da B ad A


Round trip collision delay

• È fissato dallo standard in 49.9 s• La durata minima di un pacchetto è 51.2 s

– 512 bit - 64 byte

• Non vi è quindi ambiguità tra:– pacchetti– frammenti di collisione

• Il Round Trip Collision Delay pone limiti a:– Lunghezza minima dei pacchetti 802.3– Tempo massimo di propagazione sul cavo


Connessioni hardware

Scheda di Rete Locale

Rete locale

Transceiver

Transceiver Cable

Il Transceiver contiene:• Alimentatore• Trasmettitore• Ricevitore• Circuito di Rilevazione delle Collisioni

MAU Medium attachment unit

DTE Data terminal equipment


MAU - DTE

• Il MAU effettua un test del circuito di rilevazione delle collisioni, alla fine di ogni trasmissione

• Il test prende i nomi di:– CPT (Collision Presence Test)– HeartBeat– SQE Test (Signal Quality Error Test)

• Il MAU invia il risultato di tale test al DTE sui fili del circuito di collisione


Differenze nelle trame

Preamble SFD DSAP SSAP Data PAD FCS

7 1 6 6 2 da 0 a 1500 da 0a 46

4

Lunghezza compresa tra 64 e 1518

Ottetti

Preamble SFD DSAP SSAP Data FCS

7 1 6 6 2 da 46 a 1500 4Ottetti

Ethernet V.2.0

IEEE 802.3

Length

Type


Ripetitori

Applicazione

Presentazione

Sessione

Trasporto

Rete

Data Link

Fisico Fisico

Applicazione

Presentazione

Sessione

Trasporto

Rete

Data Link

FisicoFisico

Ripetitore

Stazione A Stazione B


Ripetitori: funzionalità

• Amplificazione del segnale• Simmetrizzazione del segnale• Ritemporizzazione del segnale• Ripetizione• Rigenerazione del preambolo• Rilevazione delle collisioni• Generazione della sequenza di Jam


Ripetitori

• Un ripetitore introduce un ritardo pari a circa 500 m di cavo coassiale, oppure 50 bit, oppure 5 s

• Il ritardo introdotto diminuisce il diametro massimo della rete (fissato in circa 4200 m)


Token ring

• Caratteristiche principali:– Rete ad anello

– Stazioni collegate punto-punto

– Trasmissione su doppini

– MAC a Token

– Velocità 4 e 16 Mb/s


Anello

Tokene

pacchetti

Anello Unidirezionale


Caratteristiche

• La trasmissione è di tipo punto-punto

unidirezionale tra due stazioni adiacenti:

– Ogni stazione ripete/rigenera il segnale

– Ogni pacchetto attraversa tutte le stazioni

sino a tornare alla stazione mittente

– L’effetto ottenuto è quello del broadcast


Multiprotocollo in IEEE 802.5

LIVELLO 3

LIVELLO 2 - LLC

LIVELLO 2 - MAC

LIVELLO 1

LLCIEE 802.2

MACIEEE 802.5

10BASET FOIRL

DECNET TCP/IP OSI


Formato del pacchetto

SD AC

da 21 a 17796 ottetti

FC DA SA RI INFO FCS ED FS

da 0a 30

da 4a 17749

4 1 11 1 1 6 6

• SD: Starting Delimiter• AC: Access Control• ED: End Delimiter• FC: Frame Control• RI: Routing Information• FS: Frame Status• DA: Destination Address• SA: Source Address


Arbitraggio tramite token

• La stazione mittente (A) aspetta il token (T)• A trasforma il token nell’header del pacchetto

(D) e trasmette i dati

T D

A C

B D

D

A C

B


Arbitraggio tramite token

D

DR

T

• La stazione destinataria (C), oltre a ripetere il pacchetto, lo copia localmente

• La stazione mittente (A) toglie il pacchetto dall’anello e genera un nuovo token

D

A C

B

D

A C

BDR: Dati Ricevuti


Modalità di rilascio del token

• Normale– La stazione mittente rigenera il token solo

dopo aver tolto il pacchetto dall’anello– Eventualmente trasmette dei bit di

riempimento– Sull’anello è presente o un pacchetto o il

token– Inefficiente per anelli lunghi operanti a

16Mb/s


Modalità di rilascio del token

• Early Token Release– La stazione mittente rigenera il

token immediatamente dopo aver trasmesso il pacchetto

– Sull’anello possono essere presenti il token e più pacchetti


Token Holding Timer - THT

• Una stazione quando ha catturato il token può trasmettere uno o più pacchetti

• Non deve superare il valore impostato per il THT

• Il valore massimo di THT è di 8.9 ms

Documents

Scano di Montiferro – Reti di Calcolatori 1 RETI DI CALCOLATORI rucchio/Reti_Scano